JP2009163084A - 表示装置及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示を実現する表示装置及び移動体を提供する。
【解決手段】映像情報を含む光束を生成する光束生成部と、前記光束を制御し、観視者の頭部に向けて前記光束を入射させる光束制御部と、前記観視者の像を撮像する撮像部と、を備え、前記光束生成部と前記光束制御部の少なくともいずれかは、前記撮像部により撮像された前記像を前記観視者が見ながら前記光束の位置及びピントの少なくともいずれかを調整可能とした可動部を有することを特徴とする表示装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置及び移動体に関する。

表示装置においては、表示輝度の向上や、消費電力の低減、寿命の改善などが必要とされている。例えば、車両や航空機等の移動体のフロントガラスに各種の運行情報を表示し、外の背景視野の画像情報と同時に運行情報を観視する、いわゆるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ： Head-Up Display）においても、昼間の明るい周囲環境に対して表示輝度が低いことが問題である。
この問題に対して、表示領域を目の部分のみに限定して輝度を上げ、また光源を長寿命化する方策が考えられる。しかし、表示領域を狭めると、観視者の目の位置に適正に光束が照射することが必要となる。特に、表示領域を片目だけの狭い範囲とする際には、表示領域と片目との位置合わせは重要となる。

特許文献１には、ＨＵＤにおいて、光束の投射方向調節用光学ユニットの角度を調整する部材により、表示領域の位置を調整する技術が提案されている。しかしながら、その精度は不十分であった。
なお、人物認証に関する技術が特許文献２に開示されている。
特開平３−２１７３３９号公報 特許第３２７９９１３号公報

本発明は、上記の課題に基づいたものであり、その目的は、観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示を実現する表示装置及び移動体を提供することである。

本発明の一態様によれば、映像情報を含む光束を生成する光束生成部と、前記光束を制御し、観視者の頭部に向けて前記光束を入射させる光束制御部と、前記観視者の像を撮像する撮像部と、を備え、前記光束生成部と前記光束制御部の少なくともいずれかは、前記撮像部により撮像された前記像を前記観視者が見ながら前記光束の位置及びピントの少なくともいずれかを調整可能とした可動部を有することを特徴とする表示装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、映像情報を含む光束を生成する光束生成部と、前記光束を制御し、観視者の頭部に向けて前記光束を入射させる光束制御部と、前記観視者の像を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された前記像に基づいて、前記光束生成部と前記光束制御部の少なくともいずれかを制御することにより、前記光束の位置及びピントの少なくともいずれかを調整する制御部と、を備えたことを特徴とする表示装置が提供される。

また、本発明の別の一態様によれば、上記の表示装置と、前記表示装置から出射される前記光束が投影される投影板と、を備えたことを特徴とする移動体が提供される。

本発明によれば、観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示を実現する表示装置及び移動体が提供される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図１に表したように、本発明の第１の実施形態の表示装置１０は、映像情報を含む光束１１２を生成する光束生成部１１０と、光束１１２を制御して観視者１００の頭部１０４に入射させる光束制御部１２０と、を備えている。なお、光束１１２は、投影板２１０を経て、観視者１００の頭部１０４に到る。
光束生成部１１０は、プロジェクタ１１３と、その前に設置された画像部１１４と、を有する。そして、プロジェクタ１１３と画像部１１４とが、例えば光束１１２の軸方向に沿って可動とされている。
また、光束制御部１２０は、第１のミラー１２２と第２のミラー１２４とレンズ１２６を有している。図１の例では、第２のミラー１２４が可動とされている。
これら可動部により、光束１１２の観視者１００への照射領域１１２ａの位置及びピントを調整することができる。例えば、第２のミラー１２４の角度等を変化させて、光束１１２の照射領域１１２ａの左右上下の位置の調整を行うことができる。また、プロジェクタ１１３と画像部１１４との位置を、光束１１２の軸方向に変化させて、光束１１２のピントの調整を行うことができる。これら可動部の調節は、観視者１００が行ってもよく、または後に詳述するように、図示しない制御部により自動的に行ってもよい。

そして、表示装置１０においては、第１のミラー１２２を透過して得られた観視者１００の像１０１を撮像する撮像部１５０が設けられている。すなわち、光束制御部１２０を構成する１つの光学要素である第１のミラー１２２から得られる透過光によって、撮像部１５０は観視者１００の像１０１を撮像する。これにより、表示装置１０は、精度良く観視者１００の像１０１を取得できる。この精度良く撮像された像に基づいて、光束１１２の観視者１００への照射領域１１２ａの位置及びピントを適正に調整することができる。

具体的には、例えば、観視者１００は、撮像部１５０により撮像され投影板２１０に映し出された自分の像を見ながら、光束生成部１１０や光束制御部１２０の可動部を調節し、照射領域の位置やピントを調節することができる。つまり、光束が観視者１００の目に確実に入るように光束の位置を調節したり、表示される像のピントを合わせることができる。

あるいは、後に詳述するように、図示しない制御部を設け、撮像部１５０が撮像した観視者１００の像に基づいて、光束生成部１１０や光束制御部１２０の可動部を調節し、照射領域の位置やピントを自動的に調節することができる。このためには、例えば、画像認識技術を用いて、観視者１００の目の位置を求め、その位置に光束が入射されるように光束生成部１１０や光束制御部１２０の可動部を自動的に制御することができる。

このようにすると、例えば、自動車の運転席に表示装置を設けた場合、運転者の背の高さなどに合わせて光素子の位置やピントを調節し、どのような体格の運転者でも適正に画像を観察できるようになる。あるいは、運転者が頭部を左右または前後に動かしたような場合でも、光束がそれらの動きに追随して画像を観視させ続けることが可能となる。

このように、本実施形態に係る表示装置１０は、観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示を実現できる。
特に、観視者１００への照射領域１１２ａを狭め、観視者１００の片方の目１０５のみに光束１１２を照射する場合に大きな効果を発揮する。

なお、撮像部１５０には、例えば、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳセンサーなどを用いることができる。また、第１のミラー１２２として、可視光を反射し赤外光を透過するミラーを用い、撮像部１５０で、赤外光によって観視者１００の像１０１を撮像するように構成すると、像中の不要なノイズを低減でき効果的である。
図１において、撮像部１５０と第１のミラー１２２との間には、像の大きさとピントを調整する調整レンズ１５１が設けられているが、この調整レンズ１５１は必要に応じて設ければ良い。
また、撮像された像を表示する表示部１６０をさらに設けても良い。これにより、光束１１２の観視者１００への照射領域１１２ａの位置及びピントの調整がし易くなる。すなわち、光束の照射領域が小さい場合など、観視者１００の目から光束が外れてしまうと、投影板２１０に映し出される像を観視者１００が見ることができない。このような場合に、表示部１６０に観視者１００の像を表示すれば、観視者１００は表示部１６０を見ながら光束生成部１１０や光束制御部１２０の可動部を調節し、光束の位置やピントを適正に合わせることが容易になる。

ただし、撮像された像を画像処理し、観視者１００への照射領域１１２ａの位置やピントのずれを自動的に把握し、その結果を呈示できる場合は、表示部１６０は必ずしも必要ではない。なお、撮像された像からピントを合わせるには、撮像された画像の位相差を検出する方式やコントラストを検出する方式等各種の方法を利用できる。また、表示部１６０の表示画面上に、例えば、光束１１２の照射領域１１２ａの中心を表すクロスバー等を表示することができる。これを、例えば、観視者１００の片方の目１０５に位置合わせすることで、容易に照射領域１１２ａの位置合わせが可能となる。
また、この表示装置１０は、投影板２１０を車両などのフロントガラス（ウインドシールド）とすることでＨＵＤに応用できる。この時、フロントガラスの一部に高反射層を設け、その部分に光束１１２を照射することもできる。

なお、図１に例示した表示装置１０では、プロジェクタ１１３と画像部１１４とが、光束１１２の軸方向に可動とされているが、どちらか一方が可動であっても良く、また、光束１１２の軸方向だけでなく他の方向に可動であっても良い。また、光束生成部１１０としてさらにレンズ等を設け、それの位置を可動とし、ピントを調整するように構成しても良い。また、図１の例では、第２のミラー１２４が可動とされているが、光束制御部１２０を構成する他の光学要素を可動としても良い。

なお、光束生成部１１０として上記で説明したプロジェクタと画像部の組み合わせの他に、各種のものを使用できる。例えば、レーザやＬＥＤ、ハロゲンランプなどの各種の光源と、光源で生成された光束を走査する可動ミラーやＭＥＭＳ等の光学素子を組み合わせた構造を用いることができる。また、各種の光源とＬＣＤ等の光スイッチを組み合わせた構造等を用いることができる。また、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）や蛍光表示管（ＶＦＤ： Vacuum Fluorescent Display）、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）、ＥＬ(Electro Luminescence）表示装置、有機ＥＬ表示装置等の各種の方式のディスプレイを用いることができる。そして、それらとレンズ等の光学要素を組み合わせた構造によっても光束生成部１１０を構成できる。

また、光束１１２を制御して、観視者１００の頭部１０４のみに入射させる光束制御部１２０にも各種の光学要素を用いることができる。例えば、光束を反射・屈折・半透過させる、平板ミラー、凹面ミラー、プリズム、フレネルレンズ等が使用できる。また、光束の発散角を制御する、レンズとアパーチャとの組み合わせ、レンチキュラー板、ホログラフィックディフューザ、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ、グレーテッドインデクス型マイクロレンズ、各種のプリズムシート、ルーバーシート、切頭三角錐状の導波管を複数配列させたもの等を用いることができる。そして、上記の各種光学要素を組み合わせて用いることができる。

なお、光束生成部１１０と光束制御部１２０を構成する光学要素の一部が兼用されても良く、また、光束生成部１１０と光束制御部１２０を構成する光学要素とが光束１１２の軸上で混在して配置されても良い。すなわち、これら光学要素は、技術的に可能な範囲で兼用・置換・削除が可能である。

（比較例）
図２は、比較例の表示装置の構成を例示する模式図である。なお、図２以降の各図については、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図２に表したように、比較例の表示装置８０は、光束生成部１１０と光束制御部１２０
とを有しているが、観視者１００を撮像する機構が設けられていない。従って、観視者１００への照射領域１１２ａの位置及びピントを調整しようとしても、観視者１００は、光束１１２に対しての観視者１００の頭部１０４の位置が分からず、調整ができない。

なお、もし、撮像部を、光束生成部１１０または光束制御部１２０を構成する光学素子から得ず、例えば、観視者１００の上方や側方に設けた場合、観視者１００の正面からの像１０１を撮像できず、また、撮像軸１５２と光束１１２の軸とが一致しないため、撮像された像から観視者１００の位置を把握して、光束生成部１１０や光束制御部１２０を構成する可動の光学要素を変化させて観視者１００への照射領域１１２ａの位置及びピントを調整しようとしても精度が劣る。

これに対して、図１に例示した表示装置１０においては、観視者１００の像１０１を、第１のミラー１２２（すなわち、光束生成部１１０または光束制御部１２０を構成する光学要素の少なくとも１つ）から得ている。これにより、観視者１００の正面（視線方向）からの像１０１が撮像可能である。そして、撮像部１５０は、光束１１２の軸の延長上に配置され、光束１１２の軸の延長上で観視者１００の像１０１を撮像することができる。これにより、光束１１２の観視者１００への照射領域１１２ａの位置及びピントを高精度に調整可能となる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図３に表したように、本発明の第２の実施形態の表示装置２０は、図１に例示した表示装置１０に、観視者１００を照射する赤外ＬＥＤ１９０を、さらに設けたものである。これにより、夜間のように暗い状況においても、観視者１００の像１０１を撮像することができる。
これにより、表示装置２０は、暗い状況においても安定して、観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示を実現できる。この表示装置２０は夜間も使用されるＨＵＤに応用すると好適である。
なお、観視者１００を照射する光源は、赤外ＬＥＤ以外でも良く、各種のランプなどを用いることができる。

（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図４に表したように、本発明の第３の実施形態の表示装置３０は、図３に例示した表示装置３０において、第２のミラー１２４を凹面ミラー１２７に代えたものである。この場合、凹面ミラー１２７の曲率によって、光束１１２の発散角を制御でき、観視者１００への光束１１２の照射領域１１２ａを制御でき、照射領域１１２ａの制御が効率的となる。また装置構成が小型化できる。なお、凹面ミラー１２７が可動とされている。
表示装置３０は、光束１１２の制御を効率化し小型化を可能とし、観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示を実現できる。

（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図５に表したように、本発明の第４の実施形態の表示装置４０は、図４に例示した表示装置３０において、光束生成部１１０のプロジェクタ１１３を、バックライトを備えたＬＣＤ１１５に代えた例である。そしてＬＣＤ１１５の前面には、光束の発散角を制御するレンチキュラー板１２３が配置されている。そしてＬＣＤ１１５とレンチキュラー板１２３とが、光束１１２に平行な軸方向に沿って可動とされている。これにより、装置構成を小型にできる。
これにより、表示装置４０は、小型で、観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示を実現できる。
なお、上記の第３、第４の実施形態に係る表示装置３０、４０において、凹面ミラー１２７が、レンズ１２６の機能を果たすことができる。従って、図４、図５に例示した表示装置３０、４０において、レンズ１２６は、必ずしも設けなくても良く、必要に応じて設けることができる。

（第５の実施の形態）
図６は、本発明の第５の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図６に表したように、本発明の第５の実施形態の表示装置５０は、第２のミラー１２４の背面に撮像部１５０が設けられている。すなわち、撮像部１５０は、第２のミラー１２４を透過して得られた観視者１００の像１０１を撮像できる。この時、第２のミラー１２４として可視光を反射し赤外光を透過するミラーを用い、撮像部１５０は、赤外光によって観視者１００の像１０１を撮像するように構成すると、像中の不要のノイズを低減でき効果的である。
図６に例示した表示装置５０も、観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示を実現できる。

（第６の実施の形態）
図７は、本発明の第６の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図７に表したように、本発明の第６の実施形態の表示装置６０は、図３に例示した表示装置２０において、撮像部１５０により撮像された像１０１に基づいて、観視者１００の像１０１を画像処理し、観視者１００の位置を特定し、光束生成部１１０と光束制御部１２０の少なくともいずれかを制御する制御部１７０が、さらに設けられている。
上記の画像処理においては、例えば、特許文献２に記載されているような、観視者１００の顔面の特徴点として、両眼眼球位置、鼻位置、口の位置等を特定し、これにより、観視者１００の頭部、特に目の位置を特定する方法を使用することができる。これにより、観視者１００の位置（特に目１０５の位置）を特定できる。

そして、特定された観視者１００の位置（特に目の位置）に追従して、光束１１２を制御し、観視者１００の頭部１０４（特に目１０５）に、光束１１２の照射領域１１２ａが配置されるように制御できる。また、光束１１２のピントが調整できる。具体的には、光束生成部１１０を構成する可動の光学要素または光束制御部１２０を構成する可動の光学要素の少なくとも１つを制御する。

図７に例示した表示装置６０では、光束生成部１１０が光束１１２と平行な軸方向に沿って可動であり、これによってピントを調整する。すなわち、観視者１００の位置と光束１１２のピントの位置との差を把握し、その差に基づいて補正信号を生成し、その補正信号によって、光束生成部１１０と連結された（図示しない）調整部を駆動し、光束生成部１１０の位置を制御する。この時、撮像された画像の位相差を検出する方式やコントラストを検出する方式等各種の方法によって、観視者１００の位置と光束１１２のピントの位置の差を求めることができる。また、撮像部１５０に使用されるＣＣＤカメラなどのフォーカス駆動部と光束１１２の駆動部とを連動させることができる。

また、第２のミラー１２４が可動であり、これにより、照射領域１１２ａの位置が調整できる。この時、特定された観視者１００の位置と、適正な光束１１２の照射領域１１２ａの位置と、の差に基づいて補正信号を生成し、その補正信号によって、第２のミラー１２４の位置や角度を変化させる（図示しない）調整部を駆動し、第２のミラー１２４を制御することができる。

なお、上記において、撮像された像を表示する表示部１６０を設けることにより、撮像状態と、自動的に調整された状態を確認でき、安定した光束の調整が可能となる。
なお、片目に合わせる際、効き目の方に合わせられるように、左右の目のどちらに合わせるかを選択する機能を設けても良い。

これにより、観視者１００の頭部１０４が動いた際にも、それに自動的に追従して、照射領域１１２ａを調整し、また、ピントを調整することができ、安定して、観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示が実現できる。

なお、上記の各種の実施形態の表示装置を、例えば、ＨＵＤのように観視の姿勢がほぼ固定されている状態で使用する場合は、光束１１２の観視者１００への照射領域１１２ａを縦長とし、光束１１２の照射領域１１２ａの調整を水平方向のみで行うことも出来る。これにより、照射領域１１２ａの位置の制御が容易となり、使い易いだけでなく、低コスト化が図れる。

上記の実施形態の表示装置で説明した投影板２１０を、車両等のフロントガラス（ウインドシールド）などとすることができ、車両等のフロントガラスの外側の背景視野の画像情報と同時に、フロントガラスに各種の運行情報を表示し、運行情報を視認することができる。
図８は、本発明の実施形態に係る移動体を例示する模式図である。
図８に表したように、例えば、自動車、列車、船舶、ヘリコプター、飛行機など各種の移動体５１０の、例えば窓を、投影板２１０とすることができる。すなわち、上記の実施形態の表示装置と、その表示装置から出射される光束１１２が投影される投影板２１０と、を有する移動体が構成できる。
これにより、観視者に対する表示領域の位置とピントを高精度に調整することを可能とし、高輝度で視認性の良い表示を実現でき、良好な視認性を実現し、安全で、効率の高い運行が可能な移動体が提供できる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、表示装置及び移動体を構成する各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した表示装置及び移動体を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての表示装置及び移動体も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明の第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。 比較例の表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第６の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。 本発明の実施形態に係る移動体を例示する模式図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０、６０、８０ 表示装置
１００ 観視者
１０１ 像
１０４ 頭部
１０５ 目
１１０ 光束生成部
１１２ 光束
１１２ａ 照射領域
１１３ プロジェクタ
１１４ 画像部
１１５ ＬＣＤ
１２０ 光束制御部
１２２ 第１のミラー
１２３ レンチキュラー板
１２４ 第２のミラー
１２６ レンズ
１２７ 凹面ミラー
１５０ 撮像部
１５１ レンズ
１５２ 撮像軸
１６０ 表示部
１７０ 制御部
１９０ ＬＥＤ
２１０ 投影板
５１０ 移動体

Claims (7)

1. 映像情報を含む光束を生成する光束生成部と、
   前記光束を制御し、観視者の頭部に向けて前記光束を入射させる光束制御部と、
   前記観視者の像を撮像する撮像部と、
   を備え、
   前記光束生成部と前記光束制御部の少なくともいずれかは、前記撮像部により撮像された前記像を前記観視者が見ながら前記光束の位置及びピントの少なくともいずれかを調整可能とした可動部を有することを特徴とする表示装置。
2. 映像情報を含む光束を生成する光束生成部と、
   前記光束を制御し、観視者の頭部に向けて前記光束を入射させる光束制御部と、
   前記観視者の像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部により撮像された前記像に基づいて、前記光束生成部と前記光束制御部の少なくともいずれかを制御することにより、前記光束の位置及びピントの少なくともいずれかを調整する制御部と、
   を備えたことを特徴とする表示装置。
3. 前記撮像部は、前記光束の軸の延長上において前記像を撮像することを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記撮像部は、前記像を赤外光により撮像することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の表示装置。
5. 前記撮像された前記観視者の前記像を表示する表示部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の表示装置。
6. 前記光束制御部は、前記観視者の片目のみに光束を入射させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の表示装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の表示装置と、
   前記表示装置から出射される前記光束が投影される投影板と、
   を備えたことを特徴とする移動体。

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